Nuevo estudio evalúa la economía de las centrales eléctricas híbridas geotérmicas
Proyecto coproducido de gas natural y energía geotérmica en Swan Hills, Alberta, Canadá (fuente: FutEra Power Public Report, enero de 2023).
Oscar Llamosa Ardila
15 Sep 2024
Un estudio realizado por investigadores de NREL e IDL evalúa la tecnoeconomía de escenarios de plantas de energía híbridas geotérmicas, solares y de gas natural.
Un nuevo estudio realizado por un grupo de investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) y el Laboratorio Nacional de Idaho (INL) analiza la viabilidad técnica y comercial de las plantas de energía híbridas geotérmicas. El estudio analiza específicamente escenarios para una planta híbrida geotérmica-gas natural, así como una planta “triple híbrida” que combine gas natural, energía solar térmica, almacenamiento de energía térmica y geotermia.
El artículo completo, “Análisis tecnoeconómico de plantas de energía híbridas geotérmicas totalmente nuevas que utilizan un ciclo de cobertura de vapor solar o de gas natural”, de Daniel Wendt y Ghanashyam Neupane (IDL), y Juliet G. Simpson, Joshua McTigue y Guangdong Zhu (NREL ) se puede acceder a través de este enlace: https://doi.org/10.2172/2372872.
Aprovechar la eficiencia y la flexibilidad
Las plantas de energía geotérmica enfrentan varios desafíos para suministrar energía de manera competitiva a los mercados energéticos de Estados Unidos. Uno de esos desafíos es la dependencia de los tradicionales Acuerdos de Compra de Energía (PPA), que no compensan la operación flexible de las plantas geotérmicas y limitan la capacidad del sistema geotérmico para equilibrar el suministro y la demanda de electricidad o proporcionar regulación de frecuencia cuando otras generaciones renovables disminuyen.
El despliegue geotérmico en los Estados Unidos también ha sido tradicionalmente limitado y suele ocurrir en la región occidental, donde se accede más fácilmente a los recursos hidrotermales de mayor temperatura (por ejemplo, 175-225 °C).
El despliegue geotérmico de los Estados Unidos se ha producido tradicionalmente en el oeste de los Estados Unidos, donde es más fácil acceder a los recursos hidrotermales de mayor temperatura (por ejemplo, 175-225 °C). Se puede acceder a recursos de temperatura baja a media (por ejemplo, 90-150 °C) en una mayor proporción de los EE. UU. y brindan una oportunidad para aumentar el despliegue de energía geotérmica. Sin embargo, las temperaturas más bajas dan como resultado una menor eficiencia térmica y mayores costos de generación.
El estudio propone la hibridación del ciclo de cobertura de plantas de energía binaria geotérmica basada en la recuperación de calor residual mediante combustión solar térmica y de gas natural. Este enfoque proporciona varios beneficios que pueden permitir que las plantas de energía geotérmica generen energía a costos más competitivos.
- La adición de calor procedente de energía solar térmica y calor residual de la combustión de gas natural a una planta de energía geotérmica proporciona un aporte adicional que puede convertirse en electricidad.
- La temperatura del calor procedente de los colectores solares de concentración o de la combustión de gas natural es más alta que la del calor geotérmico procedente de recursos de temperatura baja a media, lo que mejora la eficiencia de la conversión de energía térmica en eléctrica.
- La integración de los sistemas solares térmicos con el almacenamiento de energía térmica y la combustión de gas natural significa que la generación de energía puede ocurrir durante los períodos de máxima demanda.
Configuraciones de plantas de energía geotérmica híbrida
El estudio propuso varios modelos para operaciones geotérmicas híbridas.
- Geotermia híbrida: concentración de energía solar
Se investigó una configuración de planta de energía solar-geotérmica híbrida con un ciclo Rankine de vapor en la parte superior y un ciclo de fondo Rankine orgánico. Se investigaron configuraciones de plantas híbridas en las que tanto el calor geotérmico como el calor solar rechazado del ciclo de cobertura se utilizaron para vaporizar el fluido de trabajo del Ciclo Orgánico Rankine (ORC).
La evaluación de la fracción de calor geotérmico que se utilizará para la vaporización del fluido de trabajo ORC identificó que el rendimiento de la planta híbrida se maximizó (en relación con el rendimiento combinado de una planta geotérmica independiente y una planta solar independiente que opera con los mismos recursos geotérmicos y solares térmicos, respectivamente). ) cuando todo el calor geotérmico se usó para precalentar el fluido de trabajo ORC y todo el calor solar rechazado del ciclo de cobertura se usó para vaporizar el fluido de trabajo ORC (la configuración óptima del punto de diseño no usa calor geotérmico para vaporizar el fluido de trabajo ORC).
- Motor híbrido de geogas
Una configuración de planta híbrida de geogas que utiliza un grupo electrógeno con motor alternativo de gas natural y calor residual para impulsar un ciclo ORC de fondo. El calor geotérmico se utiliza para precalentar el fluido de trabajo ORC y el calor residual del motor alternativo se utiliza para vaporizar el fluido de trabajo ORC. Esto permite que los intercambiadores de calor ORC tengan valores MTD pequeños mientras extraen la máxima cantidad de calor del fluido geotérmico.
Al igual que con la planta geosolar híbrida, el ciclo de fondo ORC puede continuar funcionando cuando el calor del motor de gas no está disponible. Esto requiere que el fluido geotérmico suministre calor para precalentar y vaporizar el fluido de trabajo ORC. Dado que se supone que el caudal del fluido geotérmico permanece constante, el caudal del fluido de trabajo ORC y la correspondiente generación neta de energía ORC se reducirán cuando solo esté disponible la fuente de calor geotérmica.
Triple híbrida geo-gas-solar
Se consideró un ciclo híbrido geotérmico y de gas para evaluar el rendimiento potencial y los beneficios de reducción de emisiones de CO2. El ciclo híbrido geotérmico-gas recupera calor de la corriente de escape de la turbina de gas de una manera similar al ciclo NGCC convencional. Sin embargo, a diferencia del ciclo NGCC convencional, el ciclo híbrido de geogas utiliza una turbina de vapor de contrapresión, de modo que el calor rechazado del ciclo Rankine de vapor puede transferirse a un ciclo ORC de fondo.
De manera similar a la planta geosolar híbrida, 18 el ciclo de fondo ORC tiene una configuración de punto de diseño en la que el recurso geotérmico proporciona el calor para precalentar el fluido de trabajo ORC mientras que el calor rechazado del ciclo Rankine de vapor se utiliza para vaporizar el fluido de trabajo ORC. líquido.
Modelado y resultados
- Geotermia híbrida: concentración de energía solar
Un diseño de planta híbrida que combina un ciclo de fondo ORC y un ciclo de vapor superior aprovechando un recurso solar térmico y un recurso geotérmico de baja temperatura (<120 grados C) produce un costo nivelado de energía (LCOE) más bajo que un sistema geotérmico independiente. Esto presenta un caso convincente para el diseño de una planta híbrida para el desarrollo económico de recursos geotérmicos en lugares con bajas temperaturas de recursos geotérmicos.
Sin embargo, en áreas con temperaturas de recursos geotérmicos más altas (>120 grados C), la planta exclusivamente geotérmica tiene un LCOE más bajo que el ciclo híbrido y, por lo tanto, podría desarrollarse sin la necesidad de agregar calor solar.
- Motor híbrido de geogas
El análisis del estudio de caso de una planta híbrida con motor alternativo geotérmico y gas natural indica que puede producir energía a un LCOE más bajo en comparación con una planta geotérmica independiente siempre que el motor de gas natural funcione durante más de 12 horas por día.
El LCOE es comparable al del motor alternativo de gas natural independiente. Sin embargo, la planta híbrida tiene la ventaja de reducir también las emisiones de carbono de la generación de energía en comparación con el motor alternativo de gas natural. Esto puede representar un escenario en el que la planta híbrida brinde una oportunidad para el despliegue de un recurso geotérmico de baja temperatura que, de otro modo, podría tener un LCOE demasiado alto para desarrollarse y operar como un recurso independiente, al tiempo que reduce la intensidad de carbono del gas natural. fuentes de generación.
- Planta triple híbrida
El análisis de una planta “triple híbrida” que combina gas natural, energía solar térmica, almacenamiento de energía térmica y geotermia sugiere que el modelo tiene una generación de energía e ingresos significativamente mayores que una NGCT independiente o el híbrido geotérmico-solar original.
El diseño triple híbrido se beneficia más del uso de un campo solar más pequeño para que la energía solar pueda distribuirse en los momentos más valiosos disponibles. La planta triple híbrida también tiene un LCOE más bajo que la NGCT independiente.
La planta triple híbrida se evaluó haciendo suposiciones simples sobre el perfil de despacho del ciclo del gas, y en trabajos futuros se deberían analizar cronogramas de despacho más matizados y realistas.
Fuente de referencia vía nuestra plataforma global ThinkGeoEnergy / US DOE Office of Scientific and Technical Information
